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Einrichtung zum Umformen von elektrischen Strömen.
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt oder zur Umwandlung von Gleichstrom einer Spannung in Gleichstrom anderer Spannung, u. zw. jener Type, bei welcher ein oder mehrere Transformatoren verwendet sind, von welchen der eine Satz von Wicklungen derart geschaltet ist, dass ein geschlossener Stromkreis entsteht, in welchem die ganze elektromotorische Kraft in jedem Momente Null ist, wenn die Wicklungen als sekundäre für den Transformator oder die Transformatoren wirken, und wobei der erwähnte geschlossene Stromkreis mit einem Kommutator in gleicher Weise verbunden ist, wie die Wicklungen eines Grammeschen Ringes.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine solche Vorrichtung, die für sehr hohe Spannungen, z. B. von 100. 000 Volt geeinet ist. Dabei kann die Konstruktion einfacher sein und eine bessere Isolierung ermöglichen als dies bei den bisher bekannt gewordenen Umformern der Fall war. Zu diesem Zweck wird der mit der Kommutierungsvorriehtung verbundene geschlossene Stromkreis in besonderer Weise unterteilt und zwei oder mehrere in Serie geschaltete Kommutatoren benutzt. Der erwähnte geschlossene Kreis oder Teile desselben werden im folgenden als "sekundär" bezeichnet werden : doch ist klar, dass bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom die Wirkung dieser Wicklung oder ihrer Teile die einer Primärwicklung ist.
Ein Transformator gemäss der Erfindung ist also dadurch gekennzeichnet, dass er zwei oder mehrere Kommutatoren besitzt, deren Bürsten so verbunden sind, dass die Kommutatoren hintereinander geschaltet sind.
Erfindungsgemäss ist ferner der geschlossene sekundäre Stromkreis in zwei oder mehrere Abschnitte unterteilt (z. B. in Abschnitte, deren magnetische Verhältnisse dadurch einander gleich erhalten werden, dass sie beide oder alle um denselben oder dieselben Kerne gewickelt werden), welche Abschnitte in elektrischer Hinsicht voneinander abgegrenzt und je nur an einen Kommutator angeschlossen sind, wodurch die Abschnitte nur mittels der Kommutatoren zu einem geschlossenen Kreis in Serie geschaltet werden.
Eine bevorzugte Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist jene, bei welcher die Kommutatoren nach dem Scheibentypus gebaut und konaxial mit ihren Schleifflächen gegeneinander gerichtet angeordnet sind, so dass sie Paare bilden wobei umlaufende Bürsten verwendet sind, die die einander gegenüber liegenden Schleifflächen hintereinander schalten.
Der Ausdruek "Scheibentypus" für Kommutatoren bezeichnet einen Kommutator, dessen Segmente in einer ebenen, gewöhnlich kreisförmigen Fläche liegen, zur Unterscheidung von der mehr gebräuehliehen Art mit den Segmenten auf einer zylindrischen Fläche.
. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass ein,, sekundärer" Abschnitt an seinen Kommutator derart angeschlossen ist, dass mehr als eine wirksame Stellung für jedes Gleichstrombürsten- paar in im Wesen gleicher Weise möglich ist, wie dies bei mehrpoFgen Gleichstrommaschinen bekannt ist, wodurch die Vorrichtung mit einer kleineren Geschwindigkeit als eine Vorrichtung mit nur einer möglichen wirksamen Bülstenstellung umlaufen kann. Eine solche Verminderung der Geschwindigkeit kann aus mechanischen Gründen wünschenswert sein.
Selbstverständlich kann ein als "sekundär" bezeichneter Abschnitt zur Gänze oder zum Teile aus Wicklungen bestehen, die parallel geschaltet sind, zum Zwecke einen stärkeren Strom bei entsprechend
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niedrigerer Spannung zuzulassen und jede Gruppen oder gemischte Schaltung kann in den Wicklungen oder selbst auch in den Kommutatoren verwendet werden.
In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit zwei in Serie liegenden Kommutatoren mit den zugehörigen Transformatoren ; die Verbindungen mit einem der Kommutatoren sind der Klarheit wegen weggelassen.
Fig. 2 ist ein Schaltungssclema für die Primärwicklungen ; rechts davon ist das zugehörige Phasen- diagramm.
Fig. 3 ist ein Schaltungsschema, das zum Teil dem der- Fig. 1 ähnlich ist, jedoch eine gemischte Schaltung der Kommutatoren veranschaulicht, und die Fig. 4 und 5 sind Schaltungssehemen von Ausführungsformen, die zur Ermöglichung einer geringeren Umlaufgeschwindigkeit, als für die Schaltung nach Fig. 1 notwendig, verwendet werden können.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ist für die Umwandlung eines Dreiphasenwechselstromes in Gleichstrom bestimmt und besteht aus zwei Dreiphasentransformatoren A und B, deren Wicklungen im folgenden als primäre und bezw. sekundäre bezeichnet werden sollen, ohne dass aber durch diese Benennung die Wirkung einer Spule auf die einer primären oder sekundären beschränkt wäre ; vielmehr wird, wie früher erwähnt, die jeweilige Funktion einer Wicklung davon abhängen, ob die Vorrichtung Gleich-in Wechselstrom oder Wechsel-in Gleichstrom transformiert.
Der Ausdruck "primär" wird jedoch stets für die Wicklung verwendet werden, welche entweder Wechselstrom empfängt oder abgibt, und der Ausdruck "sekundär" für den andern Satz von Wicklungen, nämlich für jenen, der an den bzw. an die Kommutatoren angeschlossen ist.
Jeder der Transformatoren ist dreisäulig und die primären Wicklungen auf jeder Säule sind mit bzw. B bezeichnet. Die Wicklungen Al sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, je an einen Leiter einer Dreiphasenstromquelle X, Y, Z geschaltet, während die Wicklungen Bl in der dargestellten Weise zur Erzeugung von Kraftflüssen in den Säulen des Transformators B verbunden sind, dessen Phasenverhältnisse in bezug auf jene in den Säulen des Transformators A durch die Vektoren 1, 2 und. 3 im Phasendirgramm der Fig. 2 angegeben sind. Die sekundären Wicklungen sind mit A2 bzw.
B2 bezeichnet und es ist zu bemerken, dass für jede primäre Wicklung vier sekundäre vorhanden sind, so dass also sekundäre Phasen erhalten werden, die jedem der Vektoren X, Y, Z, 1, 8,. ? im Phasendiagramm der Fig. 2 und auch den diesen entgegengesetzt gerichteten Vektoren X", y, Zr, 1'', 2, entsprechen.
Im Schaltungsschema liegen die vier sekundären Spulen auf jeder Säule zu zweit auf je einer Seite der Primärspule, wobei die zwei auf einer Seite einen Sekundärabschnitt bilden und beide zum gleichen Kommutator gehören, da jede direkt nur mit ihm verbunden ist, so dass der andere Abschnitt - an der gegenüberliegenden Seite der Primärspule - von ihm getrennt, nur unmittelbar mit seinem eigenen Kommutator verbunden und mit dem ersten Abschnitt nur vermittels der Kommutatoren in Serie geschaltet ist.
In der Zeichnung sind nur die Hälfte der Sekundärspulen geschaltet dargestellt, nämlich jene, die an die Segmente Cl eines Kommutators C angeschlossen sind. Die Segmente eines zweiten Kommutators D sind mit den übrigen Sekundärspulen in genau gleicher Weise verbunden wie die Segmente ('1 mit ihren zugehörigen Sekundärspulen.
Jeder Kommutator besitzt Bürsten C2 bzw. D2, die auf Armen C3, D3 einer Welle E sitzen. Schleifringe F und G mit Bürsten F\ G1 sind konaxial mit den Kommutatoren C und D angeordnet und die Bürsten werden von der Welle E angetrieben. Die Bürste ist durch einen auf der Welle geführten
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verbunden.
Die Schleifringe und Kommutatoren sind daher untereinander alle in Serie geschaltet
Es ist klar, dass es für eine richtige Arbeitsweise nicht allein genügt, die Bürsten bloss mit der richtigen
Geschwindigkeit zu drehen, sondern sie müssen genau synchronisiert werden, so dass jede Bürste in jedem Augenblick an einem Punkt ihres Kommutators ist, der in elektrischer Hinsicht dem Punkte entspricht, auf welchen die Bürsten bei gewöhnlichen Gleichstrommaschinen einzustellen sind. Mit andern Worten, die Schwingungsknoten der Verteilung der elektromotorischen Kraft rund um den
Kommutator laufen um diesen um und jede Bürste muss stets mit einem solchen Knoten zusammenfallen oder zumindest in dessen unmittelbarer Nähe sein.
Um dieser Bedingung jederzeit zu entsprechen, kann eine Einrichtung getroffen werden, um die Welle während ihres Laufes vor-oder zurückzustellen. Diese Einrichtung kann beispielsweise in einer Vorkehrung zur Veränderung der Feldstärke des die Welle antreibenden Synchronmotor oder zur Winkelverstellung des Stators dieses Motors im Verhältnis zur Welle.
In der Zeichnung sind die Bürstenträger Cl und D3 parallel zu einander dargestellt. In manchen Fällen jedoch kann es notwendig sein, sie derart anzuordnen, dass einer oder mehrere gegenüber den übrigen im Winkel versetzt sind. Zu diesem Zwecke kann jede beliebige Einrichtung getroffen werden, beispielsweise eine verstellbare Kupplung K3 (Fig. 1). Eine andere Art zur Erreichung des gleichen Effektes besteht darin, die Segmente eines Kommutators mit den Wicklungen des ihm zugehörigen geschlossenen Stromkreises so zu verbinden, dass sie gegenüber jenen Segmenten des anderen Kommutators
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in Voreilung sind, die mit den entsprechenden Spulen des diesem zugehörigen geschlossenen Stromkreises verbunden sind.
Es sei noch bemerkt, dass das geschilderte Schaltungssehema und die Stromkreise bloss in einer einfachen Gestalt dargestellt sind, indem für jedes Transformatorglied und für jeden Kommutator bloss zwei Spulen vorhanden sind, von denen jede an zwei Kommutatorsegmente angeschlossen ist. Es ist aber klar, dass die Spulen weiter unterteilt und mit Kommutatorsegmenten zwischen jenen, die in dem
Schema dargestellt sind, verbunden sein können, um eine geeignete Unterteilung der elektromotorischen
Kraft zwischen benachbarten Segmenten zu erzielen.
Der Primärstrom wird den Primärwicklungen durch die Hauptleitungen X, Y, Z zugeführt, während die Verbindungen zwischen den Sekundärwicklungen und den Kommutatoren in Gestalt einer zweipoligen Wellenwicklung ausgebildet sein können, und die Schwingungsknoten der Verteilung der elektromotorischen Kraft um den Kommutator werden um die Kommutatoren mit 3000 Umdrehungen, in der Minute umlaufen, wenn der Primärstrom 50 Perioden in der Sekunde hat. Die Welle E muss daher mit derselben Umdrehungszahl von 3000 rotieren. Der Gleichstrom wird von den Leitungen H, Hl abgenommen.
Wo es aus baulichen oder andern Gründen gewünscht wird, eine geringere Umdrehungsgeschwindigkeit für die Welle und den Bürstenantrieb zu haben, können die Sekundärwicklungen untereinander und mit ihren Kommutatoren geschaltet werden, um ein Äquivalent von mehrpol ; gen Gleichstromwicklungen zu schaffen, wodurch andere Geschwindigkeiten erhalten werden, die synchron mit der Frequenz der Primärquelle sind. Hiefür sind zwei Ausführungsarten dargestellt, nämlich jene in Fig. 4, wo einer der Kommutatoren, z. B. der Kommutator C vier je um 900 verstellte Bürsten hat, von denen die einander diametral gegenüberliegenden miteinander verbunden sind.
Ein anderer Weg ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher der Wicklungsschritt des Kommutators so gewählt ist, dass das Äquivalent einer vierpoligen Gleichstrom-WelIenwidlung entsteht. In Fig. 5 ist nur ein Teil der Stromkreise dargestellt, da die übrigen ohne weiters zu ergänzen sind.
Der Hauptzweck der Erfindung ist, solche Potentialdifferenzen zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten und im allgemeinen zwischen den verschiedenen Teilen des Bürstengetriebes zu erhalten, dass eine günstige Wirkung erreicht werden kann.
Die Konstruktion ist für hohe Isolierung und für rasches Aufbringen der Isolierung sowohl der Wicklungen als auch des Kommutators günstg, da die Spannung in jedem Abschnitt der Sekundärwicklung nicht nur durch die Art der Schaltung bestimmt ist, sondern auch in bezug auf die benachbarten Wicklungen einen vorbestimmten Wert hat ; weiters kann durch Erdung des Kernes ihr Verhältnis zum ganzen System genau vorbestimmt werden. Daher kann jeder Teil in geeigneter Weise bei Einfachheit der Ausführung und guter Wirkungsweise isoliert werden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Einrichtung mit vier Kommutatoren, davon zwei in Serie und zwei parallel geschaltet, womit stärkere Ströme in mehr sicherer Weise als mit bloss zwei Kommutatoren in
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Weise verwendet werden.
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